Damp/væske-likevekt (VLE) og flashberegninger

1. Damp/væske-likevekt (VLE)og flashberegninger • Flash • Enkle separasjoner • Olje/gass-separasjon offshore (flasher i serie ved ulike trykk) • Destillasjon • Den viktigste separasjonsprosessen for væsker! • Ca. 7% av industriens energiforbruk er til destillasjon • Olje-raffineri, synfuels • Petro- og finkjemi • Luftseparasjon • Absorpsjon • CO2-fjerning med aminer/vann

2. Damp/væske-likevekt • Likevekt mellom gass (yi) og væske (xi) • K-verdi (def.): Ki = yi/xi • Generelt: K en funksjon av ”alt”: T, p, yi, xi • K-verdi bestemmes fra • Ideelt: Raoults lov og Henrys lov • Ki = pisat(T)/p ; Ki = Hi(T)/p • Moderat ikke-ideelt (hydrokarboner), inkl. høye trykk: • K beregnes fra tilstandsligning, for eksempel SRK • Ikke-ideelt (for eksempel etanol-vann) og lave trykk (< 10 bar): • K fra aktivitetskoeffisienter basert på eksperimentelle data • Ideell gass: Ki = i(xi) pisat(T)/ p

3. Damptrykk av ren komponent (B.7.1)

4. Raoults lov (B7.2) • Partialtrykk i gassen (dampen) er definert som • pi = yi p • Damptrykk av ren komponent: pisat(T) • Damp/væske-likevekt: Anta ideell blanding (væskefasen) + ideell gass. Partialtrykket er da: Molfraksjon væske * Damptrykk ren komponent: • pi = xi pisat(T) • Kombinert fås Raoults lov • pi = yi p = xi pisat(T) • dvs. K-verdi: Ki = yi/xi = pisat(T) / p

5. Henrys lov (B7.4) Fortynnede løsninger (xi < 0.03) og lave trykk (ideell gass): • Henrys lov: yi p = Hi(T) xi • K-verdi: Ki = yi/xi = Hi(T) / p • Hi = Henrys ”konstant” : kun funksjon av T • For ideell blanding er Hi = pisat • Henrys lov gjelder også for superkritiske komponenter (”gasser”) som ikke har damptrykk

6. Flash-beregninger (kap. 2.5) • Likevekt mellom gass og væske: yi = Ki xi (i=1,2,…,Nc) K-verdi Ki: gitt funksjon av p,T,xi,yi • Komponentbalanser Fzi = Lxi + Vyi [mol/s] (i=1,2,…,Nc) • Anta gitt føde + p og T gitt (pT-flash) • 2Nc+2 ukjente: xi, yi, V, L • Trenger to ligninger til: Σxi = x1 + x2 + x3 + …. = 1 Σyi = y1 + y2 + y3 + …. = 1 Har også F = L + V (men ikke uavhengig ligning) • Løsning av ligningsettet • Innsett likevekten i komponentbalansen: Fzi = Lxi + VKixi • Innfør L=F-V og løs mhp. xi: xi = Fzi / (F-V+VKi) eller: xi = zi / [1 + V/F(Ki-1)] • Nærmer seg… men V/F er ikke kjent… • …kan finnes ved å bruke at Σxi = 1… eller enda bedre numerisk ved å bruke Σyi -Σxi = 0….. Gir Rachford-Rice ligningen:

7. Eksempel flash • Kondensator/flashtank for ammoniakk-syntese • Føde F fra reaktor (250 bar): 61.5% H2, 20.5% N2, 18% NH3 • Gassen kjøles til 25C for å kondensere ut ammoniakken • Oppgave: Beregn L/F, V/F og sammensetningene • Data • Anta gass/væske-likevekt • Bruk Raoults lov for ammoniakk og Henrys lov for de to ”gass”-komponentene (på tross av det høye trykket)

8. Rachford-Rice z1=0.615, z2=0.205, z3=0.18 K1=60.8, K2=35.6, K3= 0.0393 a=0:0.01:1; rr = z1*(K1-1)./(1+a.*(K1-1)) + z2*(K2-1)./(1+a.*(K2-1)) + z3*(K3-1)./(1+a.*(K3-1)) plot(a,rr) Konklusjon: a = V/F = 0.85

9. Reaktor N2+3H2 = 2NH3 Flash ammoniakk-syntese • Ammoniakk utkondensert = L x3 • Case 1: 0.147 mol • Case 2: 0.117 mol • Case 3: 0.175 mol • Konklusjon: Ønsker • høyt trykk • lav temperatur K1=192;K2=104;K3=0.00603; z1=0.615, z2=0.205, z3=0.18 a=fzero(@(a) z1*(K1-1)/(1+a*(K1-1)) + z2*(K2-1)/(1+a*(K2-1)) + z3*(K3-1)/(1+a*(K3-1)) , 0.9) x1=z1/(1+a*(K1-1)), x2=z2/(1+a*(K2-1)), x3=z3/(1+a*(K3-1)) y1=K1*x1, y2=K2*x2, y3=K3*x

10. Kommentar ammoniakk • Haber-Bosch ca. 1920 (Nobelpriser; utkonkurrerte Hydros lysbueprosess) • ”Grønn revolusjon” på 1970-tallet • N2 (luft) + H2 (vann) + energi = NH3 • 1. Lage syntesegass (30 bar) A. Primærreformer (steam reformer) • Fra metan: CH4 + 2 H2O = CO2 + 4 H2 • Fra kull: C + 2 H2O = CO2 + 2 H2 • Endoterme reaksjoner: Må tilføre mye varme B. Sekundærreformer: Tilfører luft: 2 H2 + O2 = 2H2O C. CO-konvertering: CO-> CO2 D. Fjerne CO2 (Herøya: Absorpsjon i vann) • 2. Ammoniakk-syntese (250 bar) • N2 + 3 H2 = 2 NH3 • Ammoniakk utkondenseres og uomsatt N2 + H2 resirkuleres